JP2010160093A

JP2010160093A - 波形測定装置

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Publication number: JP2010160093A
Application number: JP2009003299A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Yoshioka; 利典吉岡
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: JP5376395B2

Abstract

【課題】安定した周波数測定結果が得られる波形測定装置を実現すること。
【解決手段】測定波形データに基づき測定対象信号の周波数を測定する周波数算出部を有する波形測定装置において、前記周波数算出部は、前記測定波形データに基づき所定区間のパルス幅データを求めるパルス幅測定部と、このパルス幅測定部で測定されたパルス幅データを所定の条件にしたがって集合化するパルス幅データ集合処理部と、このパルス幅データ集合処理部で処理された各集合同士の距離の差に基づき、ビットレートの推定値を算出するビットレート推定値算出部と、このビットレート推定値算出部で算出されたビットレートの推定値を用いて（パルス幅−ビット数）の関係式を算出する関係式算出部、とで構成されていることを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は波形測定装置に関し、詳しくは、周波数測定に関するものである。

オシロスコープなどの波形測定装置を用いて表示画面に表示される測定対象信号の周波数ｆ（Ｈｚ）を測定するのにあたっては、非特許文献１にも記載されているように、１周期あたりの時間Ｔ（ｓ）を測定し、次式、
ｆ（Ｈｚ）＝１／Ｔ（ｓ）
に基づいて算出したり、
時間軸方向の複数目盛長ｍ（たとえば１０ｄｉｖ）の表示画面上に測定対象信号を複数Ｎサイクル表示させて、次式、
ｆ（Ｈｚ）＝Ｎ／（ｓ／ｄｉｖの指示値＊ｍ）
に基づいて算出することが行われている。

図９は、従来から用いられている波形測定装置の一例を示すブロック図であり、デジタルオシロスコープの例を示している。図９において、入力端子１に入力される測定対象信号は、アッテネータ２およびアンプ３を介してＡ／Ｄ変換器４に入力され、デジタル信号に変換される。ここで、アッテネータ２およびアンプ３は、Ａ／Ｄ変換器４が安定にデジタル信号に変換できる適切な振幅に調整される。

Ａ／Ｄ変換器４で変換されたデジタル信号は、データ処理部５を介してＡＣＱ（アクイジション）メモリ６および表示処理部７との間で授受されるとともに、さらに制御部９およびＣＰＵ９を介して主メモリ１０との間でも授受される。

図１０は、測定対象信号がシリアルバス信号の場合の周波数測定説明図である。図１０の例では、取得した波形データから任意の時間Ｔ（ｓ）におけるパルス数を求め、次式に示すようにその時間Ｔ（ｓ）をパルス数で割ることにより周波数ｆの平均値を算出する。
ｆ（Ｈｚ）＝パルス数／Ｔ（ｓ）

図１１は、測定対象信号がシリアルバス信号の場合の他の周波数測定説明図である。図１１の例では、電圧振幅方向のヒストグラムを取得し、最大値/最小値の中心位置を基準にして入力された波形の立上り、立下り点の間隔であるパルス幅をすべて測定し、その中で最小のパルス幅の平均値を用いる。

高橋徹編著「新・オシロスコープ測定技術のすべて」ＣＱ出版社、１９９２年１０月２０日第２版発行、６６−６７頁

しかし、図１０の周波数測定方法は、パルス幅が均一である場合には正確な測定が行えるが、パルス幅が変化する波形に対しては測定誤差が大きくなるという問題がある。

また、図１１の周波数測定方法は、パルス幅の最小公倍数で測定するものであり、たとえば図１１の例では最小パルス幅は４μｓになる。図１１の例に新たに６μｓのパルス幅が出現すると最小パルス幅は２μｓになり、測定分解能が一定せず不安定になるという問題がある。

本発明は、これらの問題を解決するものであり、その目的は、安定した周波数測定結果が得られる波形測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
測定波形データに基づき測定対象信号の周波数を測定する周波数算出部を有する波形測定装置において、
前記周波数算出部は、
前記測定波形データに基づき所定区間のパルス幅データを求めるパルス幅測定部と、
このパルス幅測定部で測定されたパルス幅データを所定の条件にしたがって集合化するパルス幅データ集合処理部と、
このパルス幅データ集合処理部で処理された各集合同士の距離の差に基づき、ビットレートの推定値を算出するビットレート推定値算出部と、
このビットレート推定値算出部で算出されたビットレートの推定値を用いて（パルス幅−ビット数）の関係式を算出する関係式算出部、
とで構成されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の波形測定装置において、
前記パルス幅データ集合処理部は、前記パルス幅測定部が測定したパルス幅データを集合化するのにあたり、類似したパルス幅データごとに集合化することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の波形測定装置において、
前記測定対象信号の周波数測定にあたり、測定対象信号のパルス幅の時間差をクラスタリング手法を用いて集合化し、各集合の中央値を周期の算出に用いることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の波形測定装置において、
前記周波数測定結果をアイパターン測定における基準クロックとして用いることを特徴とする。

本発明によれば、安定した周波数測定結果が得られる。

本発明に基づく周波数算出部の主要部分の具体例を示すブロック図である。図１に示すブロック図の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。パルス幅測定例図である。パルス幅データの集合化例図である。パルス幅データに基づくビットレートの推定値の説明図である。ビットレート推定値に基づく（パルス幅−ビット数）の関係式の説明図である。本発明に基づく周波数測定結果の応用例を示すアイパターン測定の説明図である。アイパターンの自動測定結果例図である。従来から用いられている波形測定装置の一例を示すブロック図である。測定対象信号がシリアルバス信号の場合の周波数測定説明図である。測定対象信号がシリアルバス信号の場合の他の周波数測定説明図である。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づく周波数算出部として機能するＣＰＵ９の主要部分の具体例を示すブロック図である。このブロック図は、主メモリ１０との間でデータの授受を行いながら、以下のような所定の処理を実行する。

パルス幅測定部９１は、主メモリ１０に格納される各サンプル点のデータから、その区間のパルス幅データを求める。

パルス幅データ集合処理部９２は、パルス幅測定部９１が測定したパルス幅データを、たとえば類似したパルス幅データごとのように、所定の条件にしたがって集合化する。

ビットレート推定値算出部９３は、パルス幅データ集合処理部９２で処理された各集合同士の距離の差に基づき、ビットレートの推定値を算出する

関係式算出部９４は、ビットレート推定値算出部９３で算出されたビットレートの推定値を用いて（パルス幅−ビット数）の関係式を算出する。

図２は、本発明に基づいて構成される図１に示すブロック図における周波数算出処理の具体的な流れを示すフローチャートである。

はじめに、パルス幅測定部９１は、Ａ／Ｄ変換器４で変換出力され主メモリ１０に格納される各サンプル点のデータから、図３に示すような図１１と同様な測定対象信号波形の立ち上がりと立下りポイントを検出し、その区間のパルス幅データを求めて演算用メモリに保存する（ＳＰ１）。

次に、パルス幅データ集合処理部９２は、パルス幅測定部９１が測定したパルス幅データを、図４に示すように集合化する（ＳＰ２）。図４は、ステップＳＰ１で取得したパルス幅データを、１次元のｘ軸方向に沿ってプロットしたものである。すなわち、測定対象信号波形がシリアルバス信号のようなパルス波形の場合は正の整数倍でパルス幅データが整列することに着目し、類似したパルス幅データごとに集合化する。

サンプリングされたｎ個のデータ点数ｘ₁，ｘ₂，・・・，ｘ_ｎがあり、それぞれの要素ｘ_ｉとｘ_ｊとの間の類似の度合いを表す距離Ｄ（ｘ_ｉ，ｘ_ｊ）と、クラスタＣ_ｉとＣ_ｊと間の距離Ｄ（Ｃ_ｉ，Ｃ_ｊ）を計算し、最もこの距離（類似度）に近いクラスタを逐次的に併合して集合化する。本発明では、距離（類似度）の算出にあたり、式（１）に示すクラスタ分析のウォード法（Ward's method）を用いる。

（ただし、

の二乗平方和）

図４では、取得したパルス幅データの点数を６つ（ｋ＝６）の集合Ｃ₁，Ｃ₂，・・・，Ｃ₆に分割した様子を示している。この分割数の決定はｋ＝１から想定される最大のビット長（たとえばバイト単位で送信されるシリアルバスの場合はｋ＝８）で順次クラスター分析を行い、各集合内のサンプルデータの標準偏差からバラツキが最小となる分割数を採用する。

続いて、ビットレート推定値算出部９３は、パルス幅データ集合処理部９２で処理された各集合同士の距離の差に基づき、ビットレートの推定値を算出する（ＳＰ３）。
シリアルバス信号などの信号波形の特質上、各集合の距離の最大公約数は１周期のパルス幅の点数と等価である。

まず、ステップＳＰ２で取得したｎ個の集合Ｃ₁，Ｃ₂，・・・，Ｃ_ｎから各々の中央値

を算出し、それぞれ隣り合う中央値の差d₁,d₂,・・・，ｄ_ｎ-1を求める。

このとき、ｄ_ｉとｄ_ｊ（ｄ_ｉ＞ｄ_ｊ）の剰余ｒが最小となるｉとｊの組合せを検索する。このｒは、各ビット幅の統計の中央値のジッタ（ｘ方向の揺らぎ）の大きさであり、ｒが最小となるｉとｊの組合せを用いて最大公約数ＧＣＤ（ｄ_ｉ，ｄ_ｊ）を算出し１周期のパルス幅のサンプル点の推定値

を求める。

図５は、パルス幅データに基づくビットレートの推定値の説明図である。剰余ｒが大きいｉとｊの組合せは、図５の

のような信号波形によるパルスとは無関係なノイズを含んでいる場合であり、このような組合わせはビットレートの推定値の候補から除外する。

（但し、

であり、ｄ_ｉ＞ｄ_ｊかつ(I,j)=min(ｄ_ｉmodｄ_ｊ））

そして、関係式算出部９４は、ビットレート推定値算出部９３で算出されたビットレートの推定値を用いて、（パルス幅−ビット数）の関係式を算出する（ＳＰ４）。
すなわち、ステップＳＰ３でビットレート推定値算出部９３が算出した推定値

を１周期のパルス幅単位とし、図６に示すようにＸ軸のｘ＝１，２，・・・，ｎと相関する集合Ｃ₁，Ｃ₂，・・・，Ｃ_ｎを対応付けする。各集合の９５％信頼区間に

が入る集合のみを採用し、各集合の平均値

をＹ軸（Ｃ₁，Ｃ₂，・・・，Ｃ_ｎ）に対応させ、ｎ組のデータ（ｘ₁，ｙ₁），（ｘ₂，ｙ₂），・・・，（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）と置き換える。また９５％信頼区間から外れている集合（たとえば図４にあるＣ₄）は、このデータから除外する。

最後に、図６に示すシリアルバスなどの信号波形は、データ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）は１次の回帰式ｙ＝ａｘ＋ｂに近似できるので、係数ａとｂの値を式（３）および式（４）に示す最小二乗法を用いて算出する。ここで得られる結果は推定値

とは異なり、全パルス幅のジッタ成分を考慮したパルスの基準となる。

ここで、傾きａは１周期に相当するパルス幅データの点数であり、ａ（点数）を時間換算した後にその逆数を計算することでビットレートも高精度に算出できる。

従来の技術では、測定対象信号の周波数測定にあたり、全体時間Ｔをパルス数で割った平均値を求めたり、取得した波形の中から最小周期の平均を採用していたため、入力波形によっては誤差が生じやすかった。

これに対し、本発明は、測定対象信号の周波数測定にあたり、各周期の時間差を用いたアルゴリズムを導入することで、測定対象信号内に基準周期（シリアル信号の場合１ビット）が存在しない場合でも周波数を算出できる。

また、測定対象信号のパルス幅の時間差をクラスタリング手法を用いて集合化し、各集合の中央値を周期の算出に用いることで全周期の最適値が得られるようになった。

図７は、本発明に基づく周波数測定結果をアイパターン測定における基準クロックとして用いる応用例を示す説明図である。

まず、（ａ）に示すように、測定対象信号から本発明に基づき算出したビットレートを元にクロック信号を再生する。次に、（ｂ）に示すように、このクロック信号の立ち上がりエッジを基準にして入力信号を１周期毎に切り取る。そして、これら切り取った入力信号を（ｃ）に示すように順次重ね合わせる。これにより、（ｃ）に示すようなアイパターンを作成できる。

従来の技術では、入力信号の立ち上がりや立下りを基準にしてアイパターンを作成し測定を行っていたため測定精度が悪かった。本発明では、取得した入力波形すべてのパルス幅のジッタが最小となるクロックを導き出しているため、入力波形を重ね合わせる際のサンプリングジッタを抑えることができ、測定精度を向上させることができる。

また、ファームウェアの処理により入力信号から基準レベルや基準クロックを自動検出できるので、ユーザーは煩雑な設定を行うことなく、図８に示すようなアイパターンの自動測定結果を得ることができる。

９ＣＰＵ
９１パルス幅測定部
９２パルス幅データ集合処理部
９３ビットレート推定値算出部
９４関係式算出部
１０主メモリ

Claims

測定波形データに基づき測定対象信号の周波数を測定する周波数算出部を有する波形測定装置において、
前記周波数算出部は、
前記測定波形データに基づき所定区間のパルス幅データを求めるパルス幅測定部と、
このパルス幅測定部で測定されたパルス幅データを所定の条件にしたがって集合化するパルス幅データ集合処理部と、
このパルス幅データ集合処理部で処理された各集合同士の距離の差に基づき、ビットレートの推定値を算出するビットレート推定値算出部と、
このビットレート推定値算出部で算出されたビットレートの推定値を用いて（パルス幅−ビット数）の関係式を算出する関係式算出部、
とで構成されていることを特徴とする波形測定装置。
前記パルス幅データ集合処理部は、前記パルス幅測定部が測定したパルス幅データを集合化するのにあたり、類似したパルス幅データごとに集合化することを特徴とする請求項１記載の波形測定装置。
前記測定対象信号の周波数測定にあたり、測定対象信号のパルス幅の時間差をクラスタリング手法を用いて集合化し、各集合の中央値を周期の算出に用いることを特徴とする請求項１または２記載の波形測定装置。
前記周波数測定結果をアイパターン測定における基準クロックとして用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波形測定装置。